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第四讲：微生物资源的开发和利用 第三节 单细胞蛋白
随着世界人口的急剧增长，食物缺乏日益显著，传统的农业将不能提供足够的食物来满足人类的需求，尤其是蛋白质资源短缺。据统计，目前蛋白质供需之间相差2500万吨。因此研究者们在寻求利用微生物将可再生性生物资源及其他廉价资源转化成蛋白质，开拓了从高含量蛋白的微生物中获取蛋白质的新领域，即单细胞蛋白的生产，目前这已成为国际瞩目的研究课题。 微生物蛋白又称单细胞蛋白（Single Cell Protein SCP），指的是从纯培养的微生物细胞中提取的总蛋白，它可以作为人或动物蛋白的补充。 单细胞蛋白与传统的动植物蛋白相比有许多特点： （1）微生物菌体的蛋白质含量很高，按其干重计算，细菌一般为40%�80%，酵母菌为40%�60%，霉菌为15%�50%，藻类为60%�70%，微生物蛋白所含人体8种必需氨基酸略高于大豆蛋白质。另外，所含维生素有B2 、B6 以及β胡罗卜素，麦角固醇等，因此可视其为一种理想的蛋白质资源。 （2）微生物世代时间短，在最佳环境条件下，能以惊人的速率生长。根据计算，体重为500 Kg的食用牛，每天能增加0.5 Kg蛋白质，在相同的时间里，在理想的生长条件下，理论上同样重量的酵母菌可产生1000 Kg以上的蛋白质。 （3）微生物易于变异，可通过各种物理、化学方法进行诱变，或采用基因重组技术对单细胞蛋白生产菌进行遗传性状的改变，从而较易获得优质高产的突变株。 （4）微生物的培养不受季节、气候和地区的限制，它的生产环境可人为控制，所以微生物蛋白易于实现工业化生产。此外，微生物能在相对小的连续发酵反应器中大量培养，占地面积小，据估计，一个年产10万吨的单细胞蛋白工厂，如以蛋白质含量为45%的酵母菌计，可相当于3.67万hm2 亩土地所生产的大豆蛋白。 （5）微生物的培养基来源广泛，可以大量的农业废弃物作为培养基质，因此，它的生产原料廉价而充足。 单细胞蛋白与传统的动植物蛋白相比虽然有很多优点，但它 的广泛应用还存在一些缺陷： （1）单细胞蛋白中的核酸含量很高，而人体不大容易消化核酸， 核酸代谢会产生大量尿酸，人体内没有尿酸酶，因此，尿酸可能导致肾结实和痛风。 （2）有毒性物质存在的可能性，如微生物从培养基中吸收重金属及自身代谢过程中产生的毒素等，因此，人们必须投入大量的资金、人力和物力进行质量检测。 （3）由于微生物细胞在人类消化管中消化得较慢，还有些细胞壁组分不能被消化，因此可能会使一些食用者产生消化不良或过敏症状。 （4）单细胞蛋白的生产价格较其他来源的蛋白质如鱼粉、大豆蛋白等为高，尚难与之竞争，这依赖于生产工艺的改进和生产成本的降低。 近年来我国单细胞蛋白研究方向主要发生以下变化： （1）生产原料从矿物产品转向可再生性生物资源。从60年代起，英、美、日、意等国家都在研究利用石油或石油副产品生产单细胞蛋白。70年代英国的Imperial 化学公司（ICI）利用能利用甲醇作为碳源的基因工程菌生产单细胞蛋白，但所生产的单细胞蛋白成本仍然很高。最近单细胞蛋白又成为人们所关注的研究热点，是因为人们可利用再生性生物资源生产单细胞蛋白，据估计地球上每年靠光合作用生成的碳水化合物量达一千亿吨，其中农业植物获得的纤维素量亦甚可观，以之作为生产单细胞蛋白的原料，自然成为关注的目标。 （2）从单纯生产单细胞蛋白提供饲料，转为消除环境污染、促进资源的多层次利用、改善生态系统循环、提供新型蛋白质产品几个方面互相结合。单细胞蛋白能否成功地投入使用其关键是成本问题。人们正在努力寻找一种经济的方法从发酵工业排放的废水、废渣、农产品加工的淀粉质、纤维质废弃物及生活废弃物中生产单细胞蛋白，这样单细胞蛋白的生产就可以广泛应用于生物除污的过程中。 （3）从现代技术高度集中的大型厂转向技术要求较低、生产流程和设备简化的中小型工厂，适于向农村地区推广。例如用粗粮或甜菜、甘蔗、马铃薯等的渣粕进行固体发酵，微生物繁殖后其蛋白质含量可提高到精饲料水平。原料可就地取材，产品也可就地使用。 （4）从单一生产蛋白饲料，转为生产食用蛋白，直接供人消费，减少畜牧业上物质转换的损失。 许多微生物都可以用于生产单细胞蛋白，但以酵母菌最受重视。酵母细胞蛋白质构成比较理想，而且比细菌更容易从培养介质中回收。还有许多细菌和放线菌也用于生产单细胞蛋白。细菌生长繁殖快，其蛋白质含量及含硫氨基酸含量均较高，更适用于作动物饲料。近年来，真菌已开始引起人们的关注，真菌含有较丰富的木质素、纤维素等降解酶系，可将廉价的废弃的碳水化合物原料连续地进行单细胞蛋白生产。表4-3列出了已被用于生产微生物蛋白的部分菌种。 （1）从能源物质生产单细胞蛋白 细菌和酵母菌均可利用甲醇、乙醇、甲烷和多链烷烃生产单细胞蛋白。甲烷由于蕴藏量大、价格低、不含致癌的稠环芳烃等杂质，曾作为第二代石油蛋白的原料加以研究，但由于存在太多的技术困难而不能开发利用。甲醇可以从天然气、石油、煤等多种 表4�3 已被用于生产微生物蛋白的部分菌种
原料获得，利用甲醇可生产出大量有经济效益的单细胞蛋白。70年代英国的ICI公司建立了年产50 000 吨的单细胞蛋白工厂，该工厂拥有世界上最大的连续发酵器。他们采用连续甲醇发酵法利用细菌Methylophilus methylotrophus （嗜甲醇营养菌）生产单细胞蛋白。ICI公司生产的单细胞蛋白，商品名为Pruteen，被广泛用于动物饲养。甲醇作为单细胞蛋白生产的碳源，比石蜡、甲烷和其他烷烃更具优势，它具有与水互溶、耗氧少、发热量低、成分单一、没有毒性、产品中不存在碳源的残留物和不需纯化等优点，一时有完全取代正烷烃的趋势，但实际上并未显示出预计的优越性。ICI 公司的Pruteen生产工厂在西方国家是独一无二的，但由于甲醇生产成本较高，因此用M.methylotrophus 生产单细胞蛋白的成本仍然较高,大约占产品价格的一半，进行大规模生产是不经济的。在美国，以甲醇为原料生产的单细胞蛋白的价格是鱼粉的2-5倍。而在中东，由于甲醇价格低，动物蛋白的需求量大，因而有利于单细胞蛋白产业的发展。俄罗斯的单细胞蛋白加工业达到高峰时，年产单细胞蛋白可达300000�600000 吨。 用乙醇作为原料生产的单细胞蛋白，可直接作为人们的食物。如美国的肉类和大豆的产量高，蛋白质食品供应充分，但乙醇蛋白仍可进入市场，其原因在以蛋白质含量计算，单细胞蛋白的价格比牛肉便宜，B族维生素含量多，营养丰富。当然这种乙醇单细胞蛋白的地位将取决于一些当地的因素。 许多国家还曾深入研究了用多链烷烃作原料来生产单细胞蛋白，但最终由于怀疑这种方法生产的单细胞蛋白可能含有致癌物而停止了大部分的生产。 （2）从可再生资源生产单细胞蛋白 地球上每年再生的资源主要是碳水化合物，包括纤维素、淀粉和糖类。在人类的生产活动中，这些资源一部分被加工利用，一部分成为废物被抛弃，比如，稻秸、蔗渣、柠檬酸废料、果核、糖浆及其他污物等。这些废料数量巨大，会给环境造成极大的污染。因此，利用这些废料来生产单细胞蛋白可一举两得，即减少了环境污染，又可得到食用蛋白和动物蛋白。目前，废弃物的再资源化成为人们关注的课题。 （3）从淀粉质原料生产单细胞蛋白 淀粉类物质是生产单细胞蛋白的一种传统原料，甘薯、木薯以及马铃薯等淀粉质原料的最大特点是产量高，但蛋白质含量很低。我国目前薯类原料产量约为1.57亿吨，若能通过微生物发酵将其中的一部分淀粉转化为单细胞蛋白，将在很大程度上缓解人类蛋白食品的不足。据估计，1hm2 马铃薯转化成的单细胞蛋白可以相当于3 hm2 土地生产的大豆蛋白质。因此，许多国家对利用淀粉质原料生产单细胞蛋白进行了深入研究。 以淀粉质原料生产单细胞蛋白主要有三条途径：（1）在化学分解或酶解底物的基础上培养酵母菌；（2）对淀粉酶活力高的酵母（或霉菌）与快速生长的酵母菌混合培养；（3）单独培养能够同化淀粉的生产菌株。目前以淀粉原料生产单细胞蛋白的最佳方法是酵母混合培养法，混合发酵法也称同步糖化�发酵法或称水解�发酵并行法。此法于1923年由Lyan等首创，70年代以来，有大量混合发酵法用于工业生产的实例，其中以淀粉原料生产单细胞蛋白的“Symba”工艺是成功的例子。它是以两种共生特性良好的产朊假丝酵母（C.utilus）和Endong copsis fibuliger 作为发酵菌种，最终得到以产朊假丝酵母为主的生物量。以甘薯、木薯、玉米等淀粉质原料发酵生产单细胞蛋白得率一般可超过50%，即2吨原料可生产出1吨以上的蛋白质含量超过50%的产物。近年来，我国已经开始研究探讨应用混合培养方法生产单细胞蛋白的工艺。事实上，单独培养能够同化淀粉的单细胞蛋白生产工程菌是最有前途的单细胞蛋白生产方法，但国内外有关实际应用的报道不多见，中国科学院微生物研究所曾进行了有关探索，研究了从黑曲霉糖化酶高产菌株合成的糖化酶cDNA在酿酒酵母中的整合、表达和分泌，最终淀粉利用率可达86%。一株理想的单细胞蛋白工程菌除了能直接利用淀粉作为底物外，还须具备优良的单细胞蛋白生产菌株所具有的一切性状，如无生理毒性，生长速度快，菌体蛋白含量高等，这类工程菌的构建和培育正在研究之中。 （4）以糖蜜原料生产单细胞蛋白 糖蜜是甜菜制糖、甘蔗制糖的主要副产品，甜菜、甘蔗糖蜜中含有多种可利用成分，其干物质含量在80%�90%之间，其中糖类物质占50%左右，是综合利用发酵生产酵母、酒精、核苷酸等副产品的宝贵资源，而且特别适用与生产单细胞蛋白。据统计，仅我国广东、广西、福建、云南、海南五省区1989�1990年榨季白砂糖产量达520万吨，产生糖蜜140万吨。国外对于这种资源的综合利用高度重视，糖蜜发酵生产单细胞蛋白在国外均已实现工业化，而且生产设备大型化已成为一种趋势。以糖蜜为原料生产单细胞蛋白多采用液体深层发酵，古巴马坦省的一家酵母工厂日产量40吨，年产量可达1.2万吨，台湾的酵母产生厂家日产酵母也可达到40吨，我国目前有容量约60 m3的流加发酵罐生产商品酵母。 以糖蜜为原料生产单细胞蛋白，一般采用酵母菌，如热带 假丝酵母，酿酒酵母等，但也有些单位采用尖孢镰刀霉菌和绿色木霉菌。 （5）用纤维素类原料生产单细胞蛋白 纤维素是地球上最丰富的天然物质，约占生物物质总量的50%，年产量约为50×109 吨，是单细胞蛋白发酵生产的潜在资源。大多数食品、发酵工业废渣中，除含淀粉外，都含有大量的纤维素或半纤维素，这些废渣也已成为一种生产单细胞蛋白的原料来源。这些废渣蛋白质含量较低，消化性和适口性很差，不适宜直接用来饲喂动物，若能利用微生物将其中的纤维素类物质转化为菌体蛋白，便可改善其消化性，这样不仅可获得高蛋白含量的饲料，缓解蛋白质资源不足的矛盾，而且还可以解决食品、发酵工业大量排放废渣所造成的环境污染问题。 利用纤维素类原料生产单细胞蛋白，其首要问题是必须将它进行生物降解。但纤维素的生物降解要比淀粉困难得多，原因在于纤维素分子的结构和淀粉不同，它是由葡萄糖以β�1.4糖苷键连接起来的聚合物，其分子之间和链内部都可形成氢键。用纤维素酶降解纤维素的先决条件是纤维素酶与底物相互接触，形成复合物，但由于植物材料中纤维素是呈微晶结晶存在，并被木质素隔离，水分难以进入，纤维素酶不能与基质充分接触，作用缓慢。因此，纤维素原料以及纤维素酶促反应的特点决定了使用这一原料生产单细胞蛋白时必须采用适当的工艺对原料进行预处理。利用纤维素为原料生产单细胞蛋白主要有三条路线：（！）预处理�酶解�发酵路线；（2）酸解�发酵路线；（3）混合发酵法。1982年，Saddler提出对纤维性材料进行膨化预处理，是一种有效的方法，目前已被广泛应用于高纤维素材料的预处理中。预处理后的纤维素原料即可进行酶解，纤维素酶是由三种性质不同的酶组成，即羧甲基纤维素酶，纤维二糖酶和葡萄糖苷酶。三种酶的协同作用，使纤维素水解成葡萄糖单体，以作为单细胞蛋白生产的可发酵糖源。酸解法条件剧烈，且成本高，对设备有腐蚀作用，还会产生糠醛等有毒的分解产物，所以不宜使用。 目前，一些科研人员在研究选用一株能较好地利用纤维素的菌株，使其与纤维素酶配合使用，将会取得更好的效果。山东大学微生物研究所曾筛选到两株能强烈分解甜菜渣中的纤维素和半纤维素的菌种。随着生物技术的发展，相信会有更多更好的分解纤维素的菌株或基因工程菌出现，为纤维素资源的利用提供技术保障。 （6）从发酵废液生产单细胞蛋白 造纸厂、酒精厂、味精厂、豆腐厂、酱油厂等每天都排出大量废液，一些废液的排放已造成严重的环境污染。仅以酒精工业为例，1993年我国酒精产量为150万吨，而废液量高达1.51×103 万吨，约为酒精产量的10倍。如果将这些废液加以利用，每年可制造出数万吨酵母，如不加利用，废液中COD高达50 000�120 000 mg/ml，成为一宗巨大的污染源。因此，从经济、技术和环保角度看，利用含糖质和淀粉质的废液为原料生产单细胞蛋白是近期单细胞蛋白工业的主要发展方向。 （7）用玉米芯生产单细胞蛋白 我国玉米产量居世界第二，每年玉米收割后的副产物玉米芯的产量在1000万吨左右。这些玉米芯绝大部分或弃之于田间或直接焚烧，造成了严重的环境污染。如何利用可作为再生性资源的玉米芯已引起世界各国科学家的关注。利用玉米芯生产单细胞蛋白具有很大的开发潜力，同时也为玉米芯的综合利用开辟了新的途径。玉米芯含有较多的半纤维素，水解后产生大量的木糖，由于大多数酵母菌不能利用木糖，所以用玉米芯来生产单细胞蛋白的研究在国内一直进展缓慢，没有成形的技术工艺。最近，一些科研人员对用玉米芯生产单细胞蛋白的水解工艺进行了研究，取得了一些可喜的进展。 单细胞蛋白作为食品，它的气味、颜色、口味必须为食用者所喜欢，这是可接受性；对人体无毒副作用，这是安全性。在单细胞蛋白的发展过程中，除了纯技术和经济因素外，还有一个重要方面，即在很多人心里上很难接受将微生物蛋白作为食物，特别是关注单细胞蛋白产品的安全性和营养价值。单细胞蛋白的原材料是危及安全性的关键。比如，石油和石蜡中的致癌烃类，一些真菌产生的毒素物质，水解液中的有毒分解产物等。国外一些国家如日本、意大利和英国禁止使用石油派生物作为生产单细胞蛋白的原料，而把重点转移到从乙醇、甲烷及可再生性资源生产单细胞蛋白的研究上来。因此，在单细胞蛋白的生产过程中要注意以下几个方面：（1）所用菌种被公认不产毒素，是安全的，菌体代谢产物也必须是无毒的，如啤酒酵母等；（2）培养基内不含任何毒性成分，如一些多环芳香族致癌化合物；（3）产品的气味、口味和组织外观要好；（4）菌体内核酸含量不能过高；（5）基因工程菌的培养和处理应严守有关法规。由此可见，严格的卫生质量控制程序必须贯穿于生产的全过程，以避免病原菌或有毒微生物对产品的污染。 目前，单细胞蛋白的用途主要是用作动物饲料，并且在价格上还不足以与豆粉和鱼粉竞争，这将有待于生产工艺的改进和成本的降低。如果把单细胞蛋白作为食品，必须要有高超的制作工艺。目前已进行过把单细胞蛋白掺入饼干、点心等食品中以提高营养价值的试验，但仍处于研究开发阶段。因此，对于单细胞蛋白的生产来说，更现时的作法是暂时不作为食品供人类食用，而是将它作为饲料饲养家禽、家畜和鱼类等。 |